La chiesa fu eretta alla fine del XVI secolo in sostituzione di una più antica e piccola parrocchiale, anch'essa intitolata a san Martino, e probabilmente situata nei pressi del castello, non molto distante dal piccolo oratorio dell'Annunciazione (parzialmente demolito intorno al 1946). Venerdì 13 Maggio 1583 , alla presenza del vescovo Domenico Della Rovere, dei principi Giovanni e Costantino Di Tocco, dei due sindaci Giovannino Giordano e Giovanni Vergano e di diversi consiglieri comunali, viene indetta un'assemblea pubblica all'interno dell'oratorio dell'Annunciazione per decidere la costruzione di una nuova chiesa parrocchiale, essendo quella antica del tutto distrutta e non restaurabile se non affrontando una spesa eccessiva. L'assemblea propone di costruire la nuova chiesa in un terreno vicino al castello, dopo la porta presso la casa ove sale la via pubblica del borgo (è usato, nel testo latino della visita, il termine castrum che può però indicare sia il castello vero e proprio che il ricetto e in questo caso sembra più probabile l'attinenza con la seconda opzione). Il sito (sedimen) prescelto è adatto anche perché già occupato da un edificio di proprietà pubblica (forse un magazzino comunitario), le cui consistenti tracce sono ancora visibili nel muro a scarpa che cinge la costruzione verso Sud, nella porzione di muratura che si diparte dal campanile verso Ovest e alla sommità della prima campata dell'aula, dove vi sono tracce di finestrelle strombate intonacate. Deliberata la scelta dell'area il vescovo Della Rovere procede al tracciamento dei termini dell'edificio (dessignavit modum edificandi) e alla benedizione della prima pietra che, in solenne processione, viene poi deposta -insieme a due denari sabaudi e ad un soldo milanese- nel luogo ove sarebbe sorto l'altare maggiore; la sollecitudine nei lavori di edificazione, per quanto si può capire dalla difficile lettura del testo della visita del 1583, viene raccomandata al capomastro responsabile della costruzione Prospero Collo, ma tale raccomandazione non avrà grande efficacia se, ancora nel 1588, il vescovo Panigarola dovrà precettare la metà della popolazione maschile refrancorese e prescrivere la demolizione di tre chiesette campestri al fine di recuperarne i materiali necessari alla costruzione della nuova parrocchiale . Finalmente, il 17 Giugno 1597, il nuovo vescovo Giovanni Stefano Ajazza si recherà a Refrancore per consacrare la tanto attesa nuova chiesa di San Martino e benedire i pochi resti della chiesa precedente, ormai demolita. Dal momento della consacrazione, tuttavia, i lavori proseguiranno a rilento, almeno fino ai primi anni del nuovo secolo quando, nel 1619, la chiesa potrà dirsi sufficientemente provvista con la trasformazione della torre-porta del ricetto in campanile e sacrestia . Lo studio delle fonti ha portato alla luce un'evoluzione assai complessa e interessante dell'edificio -i dati di cantiere la stanno sostanzialmente confermando- che può essere sintetizzata e meglio chiarita attraverso l'individuazione di quattro fasi costruttive; sulla base del rilievo dell'edificio e dei dati delle letture murarie è possibile accompagnare tali fasi a sintetici schemi grafici per una maggiore comprensione dei processi costruttivi. Si noti fin da ora che nella seconda metà del XVII secolo si scelse di modificare radicalmente la disposizione dell'aula, ed è per questo motivo che nelle prime fasi costruttive l'edificio è disegnato ribaltato rispetto alla sistemazione attuale.